SIFAT MEKANIKAL BAGI RENCAM KAYU CFRP DI BAWAH PEMBEBANAN LENTURAN SHAMSUDIN BIN MAT ISA

Transcription

1

2 SIFAT MEKANIKAL BAGI RENCAM KAYU CFRP DI BAWAH PEMBEBANAN LENTURAN SHAMSUDIN BIN MAT ISA Laporan Projek ini dikemukakan sebagai memenuhi sebahagian daripada syarat penganugerahan Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan Awam Fakulti Kejuruteraan Awam Universiti Teknologi Malaysia NOVEMBER 2005

3

4

5 v Buat ayahanda, bonda dan seisi keluarga yang tersayang, terima kasih atas segala sokongan dan bantuan yang dicurahkan selama ini Buat insan yang tersayang kehadiran memberikan sumber inspirasi baru dalam perjuangan Sesungguhnya dengan segala sokongan dan dorongan yang diberikan menguatkan lagi semangat dan iltizam untuk meneruskan perjuangan yang tiada penghujungnya ini

6 vi PENGHARGAAN Alhamdulillah, pertama-tamanya saya memanjatkan kesyukuran kehadrat Ilahi kerana dengan izin dan kasih sayang-nya jua maka dapat juga saya menyiapkan Projek Sarjana Muda sesi 2005/2006 dalam jangka masa yang ditetapkan. Jutaan terima kasih kepada Dr Suhaimi Abu Bakar selaku penyelia Projek Sarjana Muda ini. Bimbingan dan nasihat yang beliau berikan telah banyak membantu dalam menjalankan dan menjayakan Projek Sarjana Muda ini dengan baik dan sempurna. Sekalung terima kasih diucapkan kepada PM Dr Abd Rahman Mohd Sam yang banyak memberikan dan menyumbang idea pendapat yang bernilai bagi menyiapkan laporan ini. Terima kasih juga diucapkan kepada En Razali ( Makmal Struktur ), En Zailani ( Makmal Kayu ) dan semua kakitangan Makmal Struktur dan Bahan Fakulti Kejuruteraan Awam diatas bantuan dan pertolongan samaada berbentuk tenaga dan juga buah fikiran dalam usaha menyiapkan ujikaji. Akhir sekali saya ingin mengucapkan jutaan terima kasih kepada rakan seujikaji Wahiddin Mohd Amir dan semua pihak yang terlibat dalam menjayakan Projek Sarjana Muda ini. Semoga dengan terhasilnya laporan ini ia akan memberi manfaat dan kepuasan kepada semua pihak. InsyaAllah.

7 vii ABSTRAK Pada masa sekarang, jurutera dan arkitek mengguna dan menggabungkan pelbagai bahan seperti konkrit, keluli, kayu, plastik, kaca dan sebagainya dengan mudah berbanding dahulu. Bahan-bahan baru juga telah dibangunkan seperti gentian kaca berkekuatan tinggi, karbon, boron, aramid dan lain-lain. Penggunaan gentian berkekuatan tinggi ( HSF )- lapisan untuk diperbaiki, kekukuhan dan rupabentuk yang baru dalam pembinaan kayu ( termasuk sambungan ) membuka perspektif baru dalam rekabentuk. Suatu ujikaji makmal telah dilaksanakan untuk mengkaji kelakuan rasuk kayu yang diperkuatkan dengan polimer bertetulang gentian karbon ( CFRP ). Kertas kerja ini melaporkan keputusan ujian lenturan dua titik yang dijalankan ke atas rasuk kayu yang berukuran 50 x 50 x 900 mm dengan tiga daripadanya diperkuatkan dengan CFRP. Spesimen rasuk telah direkabentuk dan difabrikasi di Makmal Struktur dan Bahan, Fakulti Kejuruteraan Awam, Universiti Teknologi Malaysia. Kelakuan rasuk tersebut dinilai dari segi pesongan, keretakan dan mod kegagalan. Secara bandingan rasuk diperkuat dengan CFRP didapati lebih kukuh disamping mempunyai kawalan pesongan yang baik. Plat CFRP juga telah menggandakan kapasiti penanggungan beban dengan sifat mulur berlaku pada tahap gagal rasuk.

8 viii ABSTRACT Nowadays, Engineer and architects use and combine many types of materials such as concrete, steel, wood, plastic, glass etc. New material is also such as highperformance fibres of glass, carbon, boron, aramide etc. The use of high-strength fibre ( HSF ) laminates for repair, strengthening and new configurations of timbers constructions including joints contributes new era in design process. A laboratory investigation was conducted study reinforced wood beams strengthened with Carbon Fibre Reinforce Polymer ( CFRP ). This paper will present experimental results for two point load bending test carried out on 50 x 50 x 900 mm wood beams with three of them strengthened with CFRP. The beams were design and fabricated in the structural laboratory in the Faculty of Civil Engineering, University Technology Malaysia. The performance of the beams were observed base on load deflection characteristic upon loading, cracking and mode of failure. It is found that the strengthened beam behaved in a much stiffer manner compared with solid beam and improved deflection control compared with the solid beam. The CFRP is also contribute ultimate load capacity and much more ductile at failure stage.

9 ix KANDUNGAN BAB PERKARA MUKA SURAT TAJUK PENGESAHAN PENYELIA PENGAKUAN PELAJAR DEDIKASI PENGHARGAAN ABSTRAK ABCTRACT KANDUNGAN SENARAI RAJAH SENARAI JADUAL ii iii iv v vi vii viii ix xiii xvi BAB 1 PENGENALAN 1.1 Pendahuluan Pernyataan Masalah Objektif Kajian Skop Kajian Kepentingan Kajian 5

10 x BAB 2 KAJIAN LITERATUR 2.1 Pengenalan Pengelasan Bahan Komposit Komposit Matrik Berseramik ( CMC ) Komposit Matrik Berpolimer ( PMC ) Komposit Matrik Berlogam ( MMC ) Pengenalan Polimer Bertetulang Gentian ( FRP Komposisi Bahan Komposit ( FRP ) Bahan Tetulang ( Reinforcement ) Gentian Kaca Gentian karbon Gentian Aramid Matrik ( Resin ) Pengisi Bahan Tambah atau Additives Perkembangan FRP Kegunaan FRP dalam Industri Pembinaan Kajian-kajian Lepas Aplikasi 1: Sebagai tetulang 20 ( Reinforcement ) Aplikasi 2 : Sambungan Ujikaji awalan dengan spesimen 24 tegangan yang kecil Ujian lenturan dan tegangan dengan glu-lapisan specimen Sifat Kayu Juzuk-juzuk kayu Ira Susunan Ira Jenis-jenis Ira Kecerunan Ira 28

11 xi Kelemahan Kayu Penggunaan FRP Dalam Kejuruteraan Kayu 31 BAB 3 KAEDAH METODOLOGI DAN UJIAN MAKMAL 3.1 Pengenalan Perbincangan awal Kajian Literatur Pengumpulan maklumat Prosedur Ujikaji Penyediaan sampel dan alatan makmal Penyedian spesimen kayu Penyediaan Permukaan Penampalan helaian CFRP Ujian kekuatan lenturan rasuk 44 BAB 4 KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN 4.1 Keputusan Ujian Pembebanan Titik Keputusan ujikaji bagi ujian lenturan rasuk 48 kayu padu Keputusan ujikaji bagi ujian lenturan rasuk 53 yang di perkuatkan dengan helaian CFRP Ragam Kegagalan dan Bentuk Keretakan Beban Muktamad Pesongan Analisi Graf Perbincangan Keputusan Ujian Pembebanan Titik Kelakuan Lenturan Kesan Penguatan Helaian CFRP 76

12 xii BAB 5 KESIMPULAN DAN CADANGAN 5.1 Kesimpulan Cadangan ujikaji selanjutnya 80 RUJUKAN 81

13 xiii SENARAI RAJAH Bil No. Rajah Tajuk Mukasurat 1. Rajah 2.1 Pengelasan bahan komposit 6 2. Rajah 2.2 Polimer Bertetulang Gentian Kaca ( GFRP Rajah 2.3 Polimer Bertetulang jenis Karbon ( CFRP ) Rajah 2.4 Penguatan bahagian bawah perentas Jambatan 21 Sg. Aare di Murgenthal ( Switzerland ) 5. Rajah 2.5 Memperbaiki kapasiti beban stud bagi bangunan 21 bersejarah di Switzerland 6. Rajah 2.6 Mempercepatkan pengawetan dengan 23 meningkatkan kekerasan melalui arus elektrik secara terus 7. Rajah 2.7 Ujikaji awal dengan specimen tegangan yang 24 kecil dan bersih 8. Rajah 2.8 Ujian lenturan dan tegangan dengan glu-lapisan 25 specimen 9. Rajah 2.9 Kebarangkalian penggunaan FRP dalam 31 kejuruteraan kayu 10. Rajah 3.1 Peralatan ujikaji Rajah 3.2 Perincian rasuk bagi ujian pembebanan titik Rajah 3.3 Mesin Pemotong Kayu Elektrik Rajah 3.4 Sampel yang telah siap dipotong dan diratakan 40

14 xiv permukaannya 14. Rajah 3.5 Mesin pengetam kayu elektrik Rajah 3.6 Proses penampalan helaian CFRP pada rasuk kayu 16. Rajah 3.7 Ujian kekuatan lenturan rasuk Rajah 3.8 Set-up pengelok data untuk menjalankan ujian lenturan 18. Rajah 3.9 Beban dikenakan pada rasuk dengan kadar 0.5kN 19. Rajah 4.0 Pembebanan dilakukan sehingga sampel mengalami kegagalan 20. Rajah 4.1 Nilai pesongan yang diambil bagi setiap sampel ujikaji bagi rasuk kayu padu Rajah 4.2 Nilai pesongan setiap sampel bagi rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik Rajah 4.3 Rasuk kayu padu sebelum dikenakan beban Rajah 4.4 Rasuk kayu padu melentur sedikit apabila 58 dikenakan beban. 24. Rajah 4.5 Rasuk kayu padu yang telah mengalami 59 kegagalan dan pada ketika ini jek hidraulik dilepaskan 25. Rajah 4.6 Mod kegagalan bagi ketiga-tiga sampel rasuk 59 kayu padu 26. Rajah 4.7 Ragam kegagalan secara grafik dari tiga 60 pandangan bagi rasuk padu sampel A ( tidak mengikut skala ) 27. Rajah 4.8 Ragam kegagalan secara grafik dari tiga 60 pandangan bagi rasuk padu sampel B ( tidak mengikut skala ) 28. Rajah 4.9 Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi rasuk padu sampel C 61

15 xv ( tidak mengikut skala ) 29. Rajah 4.10 Rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP melentur apabila dikenakan beban 30. Rajah 4.11 Rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP patah secara tiba-tiba apabila mencapai beban muktamad 31. Rajah 4.12 Pandangan dekat rasuk kayu diperkuatkan dengan helaian CFRP yang mengalami kegagalan 32. Rajah 4.13 Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi sampel A yang diperkuatkan dengan CFRP ( tidak mengikut skala ) 33. Rajah 4.14 Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi sampel B yang diperkuatkan dengan CFRP ( tidak mengikut skala ) 34. Rajah 4.15 Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi sampel C yang diperkuatkan dengan CFRP ( tidak mengikut skala ) 35. Rajah 4.16 Gabungan graf beban lawan pesongan bagi sampel A ( rasuk padu ) 36. Rajah 4.17 Gabungan graf beban melawan pesongan bagi Sampel B ( rasuk padu ) 37. Rajah 4.18 Gabungan graf geban melawan pesongan bagi Sampel C ( rasuk padu ) 38. Rajah 4.19 Gabungan ketiga-tiga sampel bagi pesongan maksimum pada beban muktamad 39. Rajah 4.20 Gabungan Ketiga-tiga Sampel Bagi Pesongan maksimum pada beban muktamad ( diperkuatkan dengan helaian CFRP ) 40. Rajah 4.21 Purata bagi ketiga-tiga sampel antara rasuk yang dikawal dan rasuk yang diperkuatkan dengan helaian CFRP

16 xvi SENARAI JADUAL Bil No. Jadual Tajuk Mukasurat 1. Jadual 2.1 Sifat Mekanikal GFRP ( Sika, 2001 ) Jadual 2.2 Sifat Mekanikal CFRP ( Miller, 1998 ) Jadual 2.3 Sifat Mekanikal AFRP ( Miller, 1998 ) Jadual 2.4 Kelakuan Resin Poliester ( Sika, 2001 ) Jadual 2.5 Kelakunan Resin Epoksi ( Sika, 2001 ) Jadual 2.6 Ciri-ciri Mekanikal 56 Kayu Tropika ( Keadaan 29 Udara Kering 7. Jadual 4.1 Kandungan lembapan ( % ) bagi sampel rasuk 49 padu 8. Jadual 4.2 Data ujikaji rasuk kayu padu bagi Sampel A Jadual 4.3 Data ujikaji rasuk kayu padu bagi Sampel B Jadual 4.4 Data ujikaji rasuk kayu padu bagi Sampel C Jadual 4.5 Kandungan lembapan ( % ) bagi sampel rasuk 53 yang diperkuat dengan CFRP 12. Jadual 4.6 Data ujikaji rasuk kayu yang diperkuatkan dengan 54 CFRP fabrik bagi Sampel A 13. Jadual 4.7 Data ujikaji rasuk kayu yang diperkuatkan dengan 55 CFRP fabrik bagi Sampel B 14. Jadual 4.8 Data ujikaji rasuk kayu yang diperkuatkan dengan 56 CFRP fabrik bagi Sampel C 15. Jadual 4.9 Ragam kegagalan bagi ketiga-tiga batang rasuk 57

17 xvii yang dikawal 16. Jadual 4.10 Ragam kegagalan bagi ketiga-tiga batang rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP 17. Jadual 4.11 Beban muktamad bagi ketiga-tiga sampel rasuk yang diuji 18. Jadual 4.12 Perbandingan antara keenam-enam sampel dalam ujian pembebanan titik

18 1 BAB 1 PENGENALAN 1.1 Pendahuluan Perkembangan industri pembuatan, contohnya dalam industri automotif, marin dan aero-angkasa masa kini telah masuk ke era yang mementingkan penjimatan dalam kos pembuatan di samping memberi beberapa faedah yang dianggap menguntungkan pihak pengguna seperti penjimatan terhadap penggunaan punca tenaga, kualiti kejuruteraan, keselesaan, keselamatan dan ergonomik. Struktur yang menggunakan kayu ataupun konkrit sebagai bahan binaan akan mengalami kerosakan, retakan setelah lama digunakan. Keadaan ini menjadi lebih serius terutamanya apabila terdedah kepada keadaan cuaca pesekitaran yang tidak menentu. Contohnya, bangunan, jambatan dan infrastruktur lain yang dibina pada masa dahulu telah menjadi tidak selamat untuk digunakan kerana telah menghampiri jangka hayat perkhidmatan. Keadaan bertambah serius apabila infrastruktur tersebut perlu menanggung pertambahan beban dan penggunaan untuk memenuhi pertambahan permintaan sekarang. Dengan itu, bangunan, infrastruktur dan struktur yang usang dan lama haruslah diperbaiki untuk melanjutkan penggunaan supaya tidak membahayakan nyawa pengguna. Sebenarnya cara pemulihan adalah pelbagai dan bergantung kepada keadaan

19 2 alam sekitar, penggunaan, rupabentuk dan keadaan struktur yang hendak dibaiki. Salah satu teknik pemulihan yang ditemui pada awal 50 an adalah denga cara penampalan plat keluli di bahagian luar struktur tersebut untuk menambahkan kapasiti tanggungan struktur itu ( Raithby, 1980 ). Kaedah ini sangat senang dan mudah digunakan malah amatlah berkesan. Namun keluli akan mengalami pengaratan dan pengoksidaan apabila terdedah kepada keadaan yang basah, agresif, tindakan kimia dan pencairan ais kerana sifat keluli yang mudah dioksida dan dihakis ( Somboonsong Win, et al ). Keadaan ini telah menyebabkan permukaan luar keluli perlu dicat terlebih dahulu. Kaedah tersebut pula tidak akan menjamin keberkesanannya sepanjang hayat perkhidmatan. Pada masa kini, penggunaan bahan berteknologi canggih seperti bahan komposit telah dicadangkan untuk menggantikan kepingan keluli. Sejak sepuluh tahun dahulu, Polimer Bertetulang Fiber ( FRP ) yang mempunyai nilai tegangan yang tinggi mula diperkenalkan dalam industri pembinaan sebagai bahan penguat struktur. FRP merupakan satu bahan yang ringan dan mempunyai kekuatan tegangan yang tinggi jika dibandingkan dengan keluli. Sifatnya sebagai penebat elektrik, haba dan magnet juga merupakan kelebihan bahan ini berbanding dengan keluli. Dengan keistimewaan ini, FRP semakin digemari dan diperluaskan penggunaannya. Dalam penguatan sesuatu struktur kayu, kayu yang lemah akan diperkuatkan dengan FRP melalui salutan pada luar dan dalam kayu. Dalam kajian ini, struktur kayu dibebani dengan nilai beban tertentu tanpa FRP dan kayu tadi ditambah dengan FRP melalui ujian lenturan. Nilai beban yang tinggi mampu ditanggung oleh gentian ini sehingga ia mencapai kegagalan pada struktur kayu. Walaupun penggunaan FRP dalam industri pembinaan di Malaysia masih pada tahap awal, namun penggunaannya berpotensi berkembang pada masa akan datang. Oleh itu banyak kajian perlu dilakukan terhadap bahan ini untuk menghasilkan pelbagai penemuan terbaru untuk diaplikasikan dalam bidang kejuruteraan awam.

20 3 1.2 Pernyataan masalah Pada masa kini, kaedah untuk menguatkan kayu telah ditemui dan diaplikasikan dalam pembinaan, tetapi ia masih lagi diperingkat awal. Teknik penguatan melalui bahan polimer ini mempunyai beberapa kelebihan dalam praktik kerana cara ini senang dipasang, ketinggian nisbah kekuatan berat, ketahanan yang tinggi, rintangan kepada kerosakan dan mempunyai sifat rayapan yang rendah. Dengan itu, pembaikan dan pembaik pulih amat diperlukan untuk menguatkan lagi struktur kayu dalam jangka masa yang panjang. Sememangnya pelekatan FRP dengan permukaan struktur kayu yang sempurna akan memperbaiki keadaan kayu yang sedia ada. Sebaliknya, penanggalan plat FRP yang dilekat pula akan menyebabkan struktur tersebut mengalami beban berlebihan secara mengejut. Oleh yang demikian, keadaan lekatan FRP dengan kayu merupakan satu elemen yang memerlukan perhatian dalam penguatan struktur. Kajian ini akan mengkaji kebolehlekatan glu dengan permukaan kayu disamping melihat dengan jelas berkaitan dengan bentuk kegagalan sampel dan nilai-nilai pesongan yang sebenar apabila dikenakan pembebanan. Disamping itu, kajian ini juga cuba mendapatkan kasahihan data pada ujikaji-ujikaji yang lepas untuk menilai tahap kekuatan lenturan rasuk dan kesesuaiannya dalam pembinaan.

21 4 1.3 Objektif Kajian Antara objektif kajian ini adalah seperti berikut :- i. Membuat perbandingan antara kekuatan rasuk kayu padul dan rasuk kayu yang diperkuatkan dengan CFRP ii. Menentukan corak ragam kegagalan pada rasuk kayu iii. Mengkaji kebolehlekatan antara CFRP dengan kayu iv. Membuat perbandingan nilai pesongan antara sampel kayu padu dengan sampel kayu yang diperkuatkan dengan CFRP 1.4 Skop Kajian Antara skop kajian ini adalah seperti berikut :- i. Memberi fokus kepada satu jenis kayu tempatan sahaja iaitu kayu Keruing ii. Saiz sampel yang digunakan adalah 900 mm x 50 mm x 50 mm iii. Bilangan sampel yang digunakan dalam kajian ini ialah enam sampel iv. Jenis FRP yang digunakan dalam ujikaji ini adalah jenis karbon ( CFRP ) v. Ujikaji yang dijalankan adalah berdasarkan BS 373 vi. Membandingkan kekuatan kayu biasa dengan kayu yang diperkuatkan dengan bahan polimer FRP

22 5 1.5 Kepentingan Kajian Kepentingan kajian ini ialah untuk meningkatkan kekuatan lenturan kayu dengan melekatkan bahan CFRP ke permukaan kayu. Selain itu kajian ini juga dapat meningkatkan penggunaan bahan berteknologi tinggi dalam pelbagai bidang terutamanya bidang kejuruteraan awam disamping memberi keyakinan kepada pengguna untuk menggunakannya. Hasil kajian ini juga dapat memberikan pelbagai bahan altenatif terbaru kepada orang ramai untuk diaplikasikan dalam pelbagai sudut dan ruang.

23 6 BAB 11 KAJIAN LITERATUR 2.1 Pengenalan Bahan komposit adalah bahan yang terdiri daripada gabungan ataupun campuran sekurang-kurangnya dua atau lebih unsur yang berlainan dari segi bentuk dan komposisi kimia dengan syarat unsur tersebut tidak akan bergabung pada keadaan melebur. Pengelasan bahan komposit ditunjukkan pada Rajah Pengelasan Bahan Komposit Komposit Struktur Komposit Matrik Berseramik ( CMC ) Komposit Matrik Berpolimer ( PMC ) Komposit Matrik Berlogam ( MMC ) Rajah 2.1 : Pengelasan bahan komposit

24 Komposit Matrik Berseramik ( CMC ) Komposit jenis ini menggunakan seramik sebagai matrik dan diperkuatkan dengan keratan gentian pendek atau filamen yang diperbuat daripada silikon karboda dan boron nitrat. Komposit matrik berseramik ini boleh digunakan pada keadaan suhu yang amat tinggi Komposit Matrik Berpolimer ( PMC ) Bahan komposit ini paling biasa digunakan. Komposit jenis ini lebih dikenali sebagai Polimer Bertetulang Gentian ( FRP ). Bahan ini menggunakan resin sebagai matrik dan tetulangnya pula terdiri daripada bahan sama ada kaca, karbon dan aramid. Bahan ini akan dibincangkan dengan lebih lanjut pada bahagian seterusnya Komposit Matrik Berlogam ( MMC ) Bahan komposit jenis ini adalah jarang digunakan dalam industri pembinaan tetapi semakin popular digunakan dalam industri automotif. Bahan ini pula menggunakan aluminium sebagai matrik manakala gentian seperti silikon karbit sebagai tetulang. 2.3 Pengenalan Polimer Bertetulang Gentian ( FRP ) Polimer Bertetulang Gentian ( Fiber reinforced Polymer ) terdiri daripada dua ataupun lebih komponen dimana gentian dan resin merupakan dua bahan yang utama dalam komposisi FRP. Kekuatan dan modulus tetulang gentian yang tinggi berserta dengan bahan pengeras resin sebagai matriknya telah direkabentuk khas oleh pereka

25 8 dengan menghasilkan bahan yang mempunyai gabungan sifat yang tersendiri yang tidak dimiliki oleh bahan-bahan tradisional yang lain. Pada amnya gabungan komposit ini akan memberikan kekuatan dan ketahanan yang tinggi pada bahan ini. Dengan memperkenalkan gentian dalam polimer matrik dalam kawasan yang bertegasan tinggi dengan susunan, arah dan isipadu yang tertentu dapat menigkatkan darjah pengukuhan bahan dengan berkesan. Kelakunan FRP juga lebih menyenangkan jurutera dalam merekabentuk sistem penguat untuk menampung beban tambahan. Secara amnya, FRP juga mempunyai kelebihan lain seperti nisbah kekuatan kepada berat yang tinggi, tahan hakisan, lutcahaya dan lebih ringan jika dibandingkan dengan bahan yang lain. Tetulang gentian dalam komposit ini mempunyai sifat elastik, manakala matrik pula bersifat plastik. Disebabkan keseluruhan bahan ini dikuasai oleh gentian maka FRP akan berubah secara elastik apabila dikenakan beban sehingga kekuatan muktamad. FRP akan mengalami kegagalan mengejut, rapuh dan patah apabila dikenakan tegasan berlebihan. 2.4 Komposisi Bahan Komposit ( FRP ) Secara amnya, FRP terdiri daripada tetulang gentian dan matrik resin. Bahan ini juga mengandungi bahan tambahan dalam kuantiti yang amat kecil Bahan Tetulang ( Reinforcement ) Biasanya FRP mempunyai kandungan tetulang gentian yang kurang daripada 60 % daripada keseluruhan isipadunya. Kegunaan utama tetulang gentian ini dalam FRP adalah untuk menanggung beban sepanjang gentian tersebut. Gentian ini dapat

26 9 memberikan kekuatan dan kekukuhan dalam satu arah, gentian itu dapat direka supaya dapat menanggung beban pada arah yang dikehendaki. Sebenarnya, jenis tetulang yang digunakan adalah pelbagai dan secara amnya boleh dikelaskan kepada sama ada ia diabstrak semulajadi ataupun dihasilkan oleh manuisa. Sesetengah gentian seperti selulosa yang diabstrak dari kayu adalah bahan semulajadi. Walaubagaimanapun, jenis yang paling luas dihasil dan digunakan dalam industri kejuruteraan awam adalah fiber kaca yang dihasilkan melalui pemprosesan di kilang. Bahan tetulang komposit lain yang digunakan termasuklah karbon, aramid, UHMV ( ultra high molecular weight ) polyethylene, polypropylene, polyester dan nylon. Terdapat juga bahan tetulang lain yang digunakan khusus utnuk kekuatan tinggi dan suhu yang tinggi seperti logam dan logam oksida yang kini digunakan pada kapal terbang dan kegunaan aero-angkasa. Semasa penghasilan FRP, tetulang-tetulang gentian ini akan dikumpulkan bersama supaya menjadi gentian halus yang dipanggil roving. Tetulang-tetulang dalam bentuk ini kemudiannya akan diproses membentuk kepingan atau fabric Gentian Kaca Gentian kaca secara keseluruhannya tahan pada hentaman tetapi beratnya lebih tinggi daripada gentian aramid dan gentian karbon. Komposit yang terhasil daripada bahan ini adalah penebat elektrik dan haba yang baik. Gentian kaca selalunya tidak akan memberi kesan pada frekuensi radio dan dengan itu Polimer Bertetulang Gentian Kaca ( GFRP ) amat sesuai untuk kegunaan antena. Gentian ini dapat dilihat seperti dalam Rajah 2.2.

27 10 Rajah 2.2 : Polimer Bertetulang Gentian Kaca ( GFRP ) Gentian kaca mempunyai sifat yang sangat stabil dibawah suhu sejuk dan pada keadaan yang lembab. Selain itu, gentian kaca adalah satu bahan yang tidak cenderung untuk menyerap air. Dengan itu gentian kaca sangat sesuai untuk struktur yang dibina ditempat yang berkeadaan basah. Gentian ini merangkumi kaca A, E, C, S, D dan L yang mempunyai sifat dan kegunaan yang berlainan (Sika, 2001). Setiap jenis gelas gentian ini dihasilkan untuk kegunaan khusus seperti ditunjukkan di bawah :- Kaca jenis A - Kaca soda-lime-silica; digunakan untuk botol minuman dan makanan, bahan penebat dan sebagainya. Kaca jenis AR -Zirconia-glass;digunakan untuk struktur yang memerlukan Rintangan terhadap alkali. Kaca jenis C - Glass sodium borosilicate; rintangan tehadap bahan kimia Kaca jenis E - glass alumino-borosilicate; jenis kaca yang paling biasa digunakan bagi rintangan elektrik. Kaca jenis S - Glass magnesium alumino-silicate; mempunyai kekuatan

28 11 modulus yang tinggi. Biasanya digunakan dalam bidang aero-angkasa dan kegunaan khusus. Kaca jenis D - Low dielectric glass Dua jenis kaca yang paling banyak digunakan dalam aplikasi struktur adalah dari jenis S dan jenis E. Pengeluaran kaca jenis E adalah lebih kurang 1.2 ribu juta pound setahun. Kelakuan filamen untuk kedua-dua jenis gentian ditunjukkan dalam Jadual 2.1 seperti berikut :- Jadual 2.1: Sifat Mekanikal GFRP ( Sika, 2001 ) Kelakuan Kaca jenis E Kaca jenis S Kekuatan Tegangan MPa ( ksi ) 3450 ( 500 ) 4600 ( 660 ) Modulus Tegangan GPa ( msi ) 73 ( 11 ) 86 ( 12 ) Pemanjangan % CTE mm/mm/ 0 C Ketumpatan g/cc Gentian karbon Gentian karbon adalah bahan yang amat kuat. Walaupun gentian karbon lebih mahal dari gentian kaca tetapi gentian karbon lebih ringan dan mempunyai kekuatan tegangan dan nilai E modulus yang lebih tinggi. Secara amnya, Polimer Bertetulang jenis Karbon ( CFRP ) mempunyai tegasan tegangan yang agak sama dengan GFRP tetapi mempunyai nilai modulus 3 hingga 4 lebih tinggi daripada gentian kaca. ( mdacomposites, 2002 ). Struktur gentian ini dapat dilihat seperti dalam Rajah 2.3.

29 12 Rajah 2.3 : Polimer Bertetulang jenis Karbon ( CFRP ) Gentian karbon menunjukkan rintangan terhadap asid, bes dan sangat tahan terhadap haba. Laminate karbon-epoksi baik dalam rintangan keletihan, tidak senang berlaku rayapan dan sangat baik dalam rintangan tegasan patah dan tegasan hakisan. Walau bagaimanapun gentian ini akan menyebabkan hakisan pada permukaan logam apabila bersentuhan dengan bahan binaan seperti besi dan aluminium. Karbon juga merupakan bahan koduktor elektrik dan akan mengalirkan arus. Perihatin dan perancangan yang lebih rapi boleh dilakukan dalam rekabentuk gentian jenis karbon yang mungkin bersentuhan dengan logam untuk mengatasi kelemahan gentian ini. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan gentian kaca jenis E terlebih dahulu sebagai satu lapisan penebat sebelum aplikasi gentian karbon. Sifat-sifat bagi gentian karbon adalah seperti ditunjukkan dalam Jadual 2.2

30 13 Jadual 2.2: Sifat Mekanikal CFRP ( Miller, 1998 ) Kelakuan Kekuatan tinggi Modulus tinggi Ultra-Tinggi Modulus Kekuatan Tegangan MPa Modulus Tegangan GPa Pemanjangan % Gentian Aramid Gentian aramid adalah bahan organik yang dihasilkan oleh manusia. Gentian ini mempunyai sifat mekanik yang amat baik dan berketumpatan rendah. Tegasan tegangan gentian aramid adalah lebih tinggi daripada gentian kaca dan mempunyai nilai modulus 50 peratus lebih tinggi daripada gentian kaca. Bahan ini juga merupakan penebat kepada arus elektrik dan haba. Tambahan pula ia juga lebih tahan kepada bahan organik seperti minyak dan solvent. Secara keseluruhannya mampatan gentian aramid adalah lebih kurang berbanding dengan gentian kaca dan gentian karbon. Gentian aramid sangat tahan dan digunakan sebagai kabel dan tali. Gentian aramid merupakan gentian yang sangat sensitif kepada sinaran ultraungu dan kesan hidraul. Gentian ini akan mengalami pengurangan dalam kekuatan pada keadaan panas dan basah. Gentian aramid juga mempunyai kekuatan mampatan yang lebih kecil iaitu 20 % berbanding dengan kekuatan tegangan muktamad dan tidak merintang terhadap asid dan bes kuat. Gentian ini akan mengalami rayapan apabila dikenakan tegasan dan akan dipengaruhi oleh tegasan patah. Gentian aramid juga baik dalam rintangan keletihan. Jadual 2.3 menujukkan kelakuan gentian aramid.

31 14 Jadual 2.3 : Sifat Mekanikal AFRP ( Miller, 1998 ) Kelakuan Kelvar 29 Kelvar 49 Ketumpatan Kekuatan Tegangan MPa Modulus Tegangan GPa 83/ Tensile Elongation % Matrik ( Resin ) Resin merupakan salah satu bahan utama dalam komposit FRP. Kegunaan utama resin dalam FRP komposit adalah untuk menghantar tegasan antara tetulang gentian, bertindak sebagai pelekat untuk mengikat gentian-gentian dan melindungi gentian daripada kerosakan akibat tindakan mekanikal dan alam sekitar. Resin secara keseluruhannya lebih lemah daripada tetulang gentian. Resin berubah bentuk pada tindakan suhu yang rendah, senang dipengaruhi oleh tindakan air, kelembapan udara dan bes. Matrik ini juga lebih cenderung mengalami keadaan rayapan bagi penggunaan jangka masa panjang dan akan menyebabkan berlakunya perubahan fizikal pada resin. Secara umumnya, jenis resin yang digunakan boleh dibahagikan kepada dua iaitu thermoset dan thermoplastic. Thermoplastic resin akan menjadi lembut apabila ditindaki haba dan boleh dibentuk dengan acuan semasa keadaan separa cecair dan akan menjadi tegar apabila sejuk. Thermoset pula selalunya pada keadaan cecair ataupun jasad yang bertakad lebur rendah pada keadaan mulanya. Selepas thermoset diawet, ia tidak akan bertukar balik pada keadaan cecair seperti sebelumnya. Memandangkan pemilihan resin berhubungkait dengan kekuatan FRP, pereka haruslah membiasakan diri dengan kandungan, kelebihan dan had komposit resin yang biasa digunakan. ( mdacomposite, 2002 )

32 15 Polimer thermoset yang digunakan dalam industri adalah polyester dan epoksi. Manakala terdapat banyak thermoplastic resin yang digunakan dalam menghasilkan komposit seperti polyolefines, polyamides, vinylic polymer, polyacetals, polysulphones, polycarbonates, polyphenylenes dan polyimides. Polyester Poliester memainkan peranan yang penting dalam industri komposit dan lebih kurang 65 % resin yang digunakan hari ini merupakan resin jenis polyester. Resin ini terhasil daripada proses kondensasi polimerisasi antara asid kaboksilik dan glycol, polyester tergolong dalam resin thermostat. Sifat polyester tidak akan dipengaruhi oleh tindakan asid tetapi sebaliknya kepada tindakan bes. Resin ini juga akan dipengaruhi oleh perubahan suhu pada air yang bertindak keatasnya. Jadual 2.4 menunjukkan sifat-sifat mekanikal bagi resin polyester. Jadual 2.4: Kelakuan Resin Poliester ( Sika, 2001 ) Sifat-sifat Nilai Kekuatan Tegangan MPa Modulus Tegangan GPa Pemanjangan % < 5.0 Ketumpatan ( g/cm 3 ) Pengenapan ( % )

33 16 Epoksi Epoksi banyak digunakan dalam pelbagai bidang termasuklah bahagian komposit, struktur dan pembaikan konkrit. Antara kelebihan epoksi berbanding komposit lain ialah epoksi mengecut dan berubah pada kadar yang amat rendah. Kekuatan resin ini juga sangat tinggi, melekat dan merintang pada bahan kimia dan kelesuan. Epoksi selalunya diawet dengan menggunakan pengeras ( hardner ) dan anhidrat. Jenis pengeras an juga kuantiti yang berbeza memerlukan cara pengawetan yang berlainan dan akan menghasilkan sifat-sifat yang berbeza pada komposit yang dihasilkan. Jadual 2.5 menunjukkan sifatsifat mekanikal bagi epoksi. Jadual 2.5: Kelakunan Resin Epoksi ( Sika, 2001 ) Kelakunan Nilai Kekuatan Tegangan MPa Modulus Tegangan GPa Pemanjangan ( % ) Ketumpatan ( g/cm 3 ) Pemendapan ( % ) 1 5

34 Pengisi Kegunaan pengisi dalam komposit semakin meluas hari ini memandangkan penggunaan pengisi dapat mengurangkan jumlah kos dan menigkatkan sifat komposit. Pengisi dapat meningkatkan sifat-sifat mekanikal seperti meningkatkan rintangan terhadap haba dan asap. Antara pengisi yang digunakan adalah seperti Kaolin, Kalsium Karbonat, Kalsium Sulfat dan Alumina Trihydrate Bahan Tambah atau Additives Pelbagai jenis bahan tambah digunakan sama ada untuk memperbaiki sifat bahan mahupun dihasilkan untuk mencapai tujuan tertentu. Walaupun kuantiti bahan tambah yang digunakan amatlah sedikit berbanding resin, tetulang gentian dan pengisi tetapi fungsinya amat kritikal. Pertambahan bahan tambah dalam thermostat atau pun thermoplastik dapat mengurangkan pengecutan, meningkatkan rintangan terhadap api, melepaskan udara, mengalir elektrik, meningkatkan kekuatan komposit dan banyak lagi mengikut keadaan, tujuan dan kegunaan komposit. 2.5 Perkembangan FRP Konsep penggunaan komposit diperkuat dengan gentian boleh dikesan sejak 800 B.C di mana orang Yahudi telah menggunakan tumbuhan bijirin sebagai bahan penguat penghasilan batu bata. Pada kurun ke-30, Amerika Syarikat telah menggunakan GFRP, potongan kecil fiber kaca untuk menguatkan konkrit. Polimer Bertetulang Fiber, FRP mula berkembang hanya pada tahun 1940 an ( Sieble, F dan Karbhari, V, 1996 )

35 18 Selepas perang dunia kedua, perindustrian Amerika Syarikat mula menghasilkan bahan komposit gentian kaca dan damar polister sebagai bahan pembuatan badan kapal dan pencegah radar. Oleh kerana sifat-sifat komposit gentian fiber yang istimewa dan mempunyai potensi yang tinggi dalam pasaran, banyak kajian telah dilakukan untuk meningkatkan sains dan teknik penghasilan bahan ini. Antara dua teknik pembuatan komposit ialah kaedah belitan berfilamen dan kaedah pultrasion. Sehingga sekarang, penggunaan komposit telah merangkumi pelbagai bidang industri. Dalam bidang aeroangkasa, bahan komposit digunakan bagi pembuatan pressure vessel dan container. Tentera laut Amerika Syarikat juga mendapat faedah daripada bahan komposit ini dengan menggunakan bahan ini dalam anggota kapal selam, badan kapal dan mine sweeping vessel. Penggunaan domestic pula mula memasang tangki mandi komposit, pagar, tangki air, tangga dan alat elekromik komposit. Selain itu, bahan komposit juga mempunyai permintaan yang tinggi dalam peralatan rekreasi seperti tali pancing, raket badminton dan tennis. Dalam bidang kejuruteraan awam, bahan komposit pertama kali diperkenalkan dalam pembinaan struktur kubah di Benghazi pada tahun penggunaan bahan komposit bagi struktur lain dalam bidang kejuruteraan awam telah berkembang beransur-ansur selepas itu. ( Benjamin Tang, 1997 ) 2.6 Kegunaan FRP dalam Industri Pembinaan Polimer Bertetulang Gentian ( Fiber Reinforced Polymer ) mula digunakan pada kurun ke 40 dalam bidang aero-angkasa dan bidang ketenteraan. Kini, penggunaan FRP dalam bidang pembinaan telah mula berkembang. Bahan ini boleh digunakan dalam sektor pembaikian dan rekabentuk jambatan, tendon jejambat, struktur bangunan bagi menggantikan atau menambahkan FRP pada kayu dan besi dan tempat letak kereta. FRP juga digunakan dalam struktur yang melibatkan penghasilan imej di hospital yang memerlukan bahan penebat magnet untuk menggantikan penggunaan bahan keluli.

36 19 FRP merupakan satu bahan yang ringan dan mempunyai kekuatan tegangan yang tinggi. Sifat-sifatnya yang menebat elektrik, haba dan magnet juga merupakan kelebihan bahan ini berbanding dengan keluli. Dengan keistimewaan ini, FRP secara beransuransur telah menggantikan keluli sebagai bahan untuk pemulihan struktur. Polimer Bertetulang Gentian juga boleh dihasilkan melalui proses yang berlainan untuk membentuk pelbagai jenis bentuk dan kegunaan. Biasanya, FRP digunakan dalam bentuk rod sebagai bahan bertetulang konkrit, tendon prategasan, kepingan, gentian dan sebagainya. Biasanya, rod FRP diletakkan di dalam ataupun berdekatan dengan permukaan untuk menguatkan tetulang konkirt. Dengan menggunakan rod FRP dalam rasuk atau papak ia akan mengurangkan rayapan pada struktur tersebut. Perletakan rod FRP di sisi ataupun tepi struktur pula akan mengurangkan daya ricihan. Selain itu, tendon FRP pula digunakan sebagai kabel pra-tegangan mahupun pasca-tegangan dalam penghasilan konkrit pra-tegasan. Kepingan FRP yang biasa dilekat pada permukaan luar struktur digunakan untuk memperbaiki kekuatan struktur yang sedia ada. Contoh penggunaan kepingan FRP ini ialah dalam menguatkan struktur pada kayu. Ia dapat meningkatkan kekuatan kayu samaada dari segi kekuatan ricih ( shear strength ) mahupu kekuatan tegangan ( tensile strength ). Kelebihan utama penggunaan kepingan FRP sebagai bahan penguat adalah disebabkan cepat dan senang digunakan. Tambahan pula dalam proses pemulihan tersebut akan menjimatkan kos buruh dan dapat mengelakkan daripada meruntuhkan bangunan yang sedia ada. Kemungkinan jumlah kos dan penggunaan bahan lain untuk proses pemulihan adalah lebih mahal dan kompleks. Pada masa kini banyak jambatan pejalan kaki di Amerika Syarikat telah dibina dengan penggunaan bahan berbentuk pultruded komposit. Di kawasan yang berkemungkinan mengalami gempa bumi pula, struktur tiang jambatan konkrit telah

37 20 diperkuat dengan komposit belitan filamen. Keadaan ini dapat meningkatkan tahap kemuluran struktur tersebut. Cerucuk pra-tegasan yang diperbuat daripada komposit juga diperkenalkan dalam struktur kejuruteraan awam dan marin di beberapa negeri di Amerika Syarikat ( Benjamin Tang, 1997 ). 2.7 Kajian-kajian Lepas Aplikasi 1: Sebagai tetulang Peningkatan struktur bagi beban kerja yang tinggi atau pemulihan kekuatan rekabentuk semulajadi merupakan keperluan kejuruteraan bagi struktur pelbagai bahan. Sebelum HSF ( high-strength fiber ) digunakan, keluli merupakan bahan yang digunakan dengan pelbagai tujuan. Lekatan plat besi pada konkrit digunakan dengan jayanya di pusat pengujian bahan dan kajian ( EMPA ) dalam era 70an. Dalam awal 80an plat keluli mula digantikan dengan CFRP. Sekarang teknik ini mula dibuktikan melalui rekabentuk dan aplikasi dalam struktur kayu. Ia digunakan dengan jayanya hampir 400 struktur di seluruh dunia. Obektif utama penggunaan CFRP- lapisan lebih dari plat besi, lebih ringan, tahan hakisan, sifat lentur yang baik, mudah dibawa dan diaplikasikan pada tempat-tempat yang diperlukan. Bahan ini amat sesuai digunakan dalam struktur kayu dengan baik. Pertimbangan bilangan struktur kayu-kayu keras dan glulam- telah jayanya diperkuatkan dengan HSF, kebanyakan di Amerika Utara dan Eropah. Rajah 2.4 dan 2.5 menunjukkan contoh aplikasi sebenar di Switzerland.

38 21 Rajah 2.4 : Penguatan bahagian bawah perentas Jambatan Sg. Aare di Murgenthal, Switzerland Rajah 2.5 : Memperbaiki kapasiti beban stud bagi bangunan bersejarah di Switzerland

39 22 FRP Tetulang mengandungi bahagian yang bersambung ( jalur, plat atau rod HSF yang tertanam dalam matrik polimer ) dan agen ikatan ( glu, mortar atau casting compound ). Bahagian sambungan boleh dibuat sama ada : i. Bahagian tepi anggota kayu, yang mana bilangan sukar dinyatakan, tetapi memberi kebaikan, tidak ketara, tahan api dan lain-lain atau, ii. Di luar, yang mana kes yang biasa untuk kerja tetulang bagi struktur yang tertutup. Semasa lekatan bagi lapisan struktur komposit, ianya mesti dilakukan dengan hatihati, antara yang perlu diberi perhatian ialah :- i. Permukaan kayu mesti rata, bersih ii. Permukaan yang diglu dengan FRP mesti bersih iii. Permukaan kayu mesti kering semasa glu iv. Aplikasi lekatan lapisan mesti ditempatkan pada suhu > 10 o C, tiada tekanan pada glu semasa pengerasan lapisan. Pemanjangan masa pengawetan diperlukan pada suhu yang rendah. Rajah 2.6 menunjukkan pengawetan dengan meningkatkan kekerasan melalui arus elektrik secara terus.

40 23 Rajah 2.6 : Mempercepatkan pengawetan dengan meningkatkan kekerasan melalui arus elektrik secara terus Aplikasi 2 : Sambungan Penggunaan FRP sebagai struktur sambungan pada kayu merupakan sebahagian dari objektif kajian dan pembangun projek oleh Jabatan Kayu EMPA. Bagi struktur kayu, rekabentuk sambungan memainkan peranan dan cabaran untuk mencuba yang baru berkaitan pemindahan daya tegangan. Kesemua ujian dan specimen European Spruce ( Picea abies ) yang siap dapat dinyatakan di bawah :-

41 Ujikaji awalan dengan specimen tegangan yang kecil. Pada peringkat awal ujikaji tegangan dengan specimen FRP yang kecil yang ditambatkan kedua-dua hujungnya ( Rajah 2.7 ) dilakukan bagi menentukan kesan pelbagai parameter seperti jenis perekat, ketebalan gluline, panjang tambat dan lapisan FRP secara urutan, kobolehkerjaan dan juga lekatan glu pada bahagian sambungan. Pada peringkat utama ini gentian karbon digunakan sebagai bahan penguat ( reinforcing ) Rajah 2.7 : Ujikaji awal dengan spesimen tegangan yang kecil dan bersih

42 Ujian lenturan dan tegangan dengan glu-lapisan spesimen Peringkat ke dua dengan pertimbangan bilangan ujian tegangan ianya dilakukan menggunakan glu-lapisan spesimen yang besar ( keratan rentas 100 x 110 mm 2 ), dalam kebanyakan kes, tambatan dengan plat gentian kaca bertetulang plastik seperti Rajah 2.8. Kebiasaanya parameter-parameter yang dikaji adalah seperti jenis lapisan, panjang sambungan plat, bilangan dan jarak plat, kelakuan plat, keratan rentas tetulang ( gantian tegangan melintang ), bentuk alur bagi plat, dedahan suhu dan lain-lain. Rjah 2.8 : Ujian lenturan dan tegangan dengan glu-lapisan spesimen Ujian lenturan dilakukan dengan menggunakan rasuk sepanjang 2.8 m dan keratan rentas 120 mm x 180 mm. Ujian rayapan untuk jangkamasa panjang akan dilakukan dengan sebaik yang mungkin.

43 Sifat Kayu Dalam mengkaji sifat-sifat mekanik atau kekuatan sesuatu bahan, adalah penting diketahui secara umum tentang struktur dan juzuknya. Sifat-sifat kayu adalah dipengaruhi oleh sifat juzuknya iaitu sel-sel kayu, gelang tumbesaran, ira dan teras muda serta kayu keras Juzuk-juzuk kayu Ira Umur pokok lazimnya ditentukan dengan mengira bilangan lilit pada pokok. Ukur lilit ini lebih dikenali sebagai ira pokok. Secara biologi, pokok mempunyai sistem pemakanannya yang tersendiri. Daun-daun pokok yang bertindak sebagai kilang memproses makanan akan menghantar makanan tersebut melalui batang pokok. Batang juga mempunyai sistem talian saluran dua hala yang menghantar zat-zat kimia dan cairan kepada daun yang kemudiannya menyalurkan makanan yang terhasil untuk membantu tumbesaran tisu-tisu kayu. Dengan ini pokok tersebut akan membesar seiring dengan pertambahan sel-selnya. Dari sinilah ira akan kelihatan mengikut bilangan tahun pokok tersebut kerana pertambahan umur kayu berkait rapat dengan bilangan lilitan ira tersebut Susunan Ira Melalui susunan ira, dapat ditunjukkkan samaada pokok tersebut membesar dengan sihat. Ira yang jarang iaitu susunannya tidak rapat menunjukkan bahawa berlaku

44 27 pembesaran yang sihat pada kayu tersebut. Ira yang berkedudukan rapat pula menunjukkan pembesaran pokok itu semakin merosot, ini banyak terjadi pada pokok yang sudah tua. Pembesaran sesuatu kayu menjadi tidak sekata berdasarkan faktor-faktor seperti berikut iaitu jenis tanah, cuaca, penjagaan dan persekitaran Jenis-jenis Ira Terdapat enam jenis ira iaitu ira lurus, ira lintang, ira serong, ira pusar, ira kait punca dan ira gelombang. Ira lurus adalah serat-seratnya selari dengan arah paksi pugak sesuatu balak. Ira yang lurus akan menyenangkan kayu itu digergaji. Kayu yang seratnya berubah atau condong arahnya dari paksi pugak kayu dikatakan mempunyai ira melintang. Keadaan ini biasanya berlaku di kawasan buku kayu dan bengkak kayu. Ira serong pula adalah kesan penggergajian di mana kayu itu berira lurus dipotong supaya seratnya tidak selari denga paksi pugak kayu. Ira pusar terjadi apabila seratnya mengikuti suatu laluan berlengkar sewaktu pokok itu belum ditebang. Ira kait punca pula terjadi apabila seratnya daripada gelang tumbesaran yang berturutan berlawanan arahnya. Ira gelombang ialah apabila arah seratnya berubahrubah secara tetap dan seperti ombak di atas permukaan memanjang kayu. Jadi sewaktu memilih kayu untuk tujuan tertentu hendaklah dipilih yang berira lurus atau kecerunan ira kayu tidak terlalu besar. Ira kait punca memberi kesan yang sedikit sahaja terhadap kekuatan kayu dan boleh menambahkan rintangan terhadap ricihan dan lekahan dalam arah paksi jejarinya. Ira gelombang juga memberi pengaruh yang kecil kepada kekuatan kayu untuk kegunaan struktur.

45 Kecerunan Ira Sebagai salah satu komponen kekuatan kayu, pengaruh ira sebenarnya bergantung kepada kecerunan ira tersebut tanpa bergantung sama ada ianya ira lintang, ira serong dan ira pusar. Kecerunan ira dinyatakan dengan nisbah 1 : n iaitu 1 ialah jarak dalam arah tegak kepada tepi kayu dan n ialah jarak dalam arah selari dengan tepinya. Daya yang bertindak ke atas kayu yang berira condong akan menyebabkan terhasilnya komponen tindakan daya dalam arah melintang iranya, sedangkan kekuatan kayu adalah rendah dalam arah melintang ira iaitu bergantung pada jenis kekuatan yang terlibat. Daripada ujian yang dijalankan sebelum ini, kekuatan mempatan kayu akan berkurangan jika kecerunan ira melebihi 1 : Kelemahan Kayu Kayu yang digunakan dalam industri pembinaan juga mempunyai beberapa kelemahan yang mana kelemahan ini boleh diatasi melalui kajian penggunaan FRP terhadap kayu. Antara kelemahan yang dapat dilihat adalah seperti berikut:- i. Kayu boleh mengecut disebabkan sifat higroskopik yang wujud pada kayu. Apabila wujud perubahan kandungan lembapan, kayu boleh meleding dan akan menyukarkan kerja. ii. Terdapat kecacatan-kecacatan semulajadi dalam kayu seperti buku, hati, berongga dan bergerigis. iii. Kayu mudah diserang serangga dan cendawan perosak. Sebagai contoh, kumbang atau gegat kayu yang menghabiskan masa hidupnya dalam batang kayu dan memakan tisu-tisu kayu. Saiz lubang yang dibuat ialah berubah-rubah antara 5 mm hingga 25 mm dan panjangnya beberapa sentimeter. Ini menyebabkan kos penyenggaraan yang tinggi.

46 Jadual 2.6: Ciri-ciri Mekanikal 56 Kayu Tropika ( Keadaan Udara Kering ) 29

47 Jadual 2.6: ( Sambunga 30

48 Penggunaan FRP Dalam Kejuruteraan Kayu Rajah 2.9 : Kebarangkalian penggunaan FRP dalam kejuruteraan kayu Dalam industri pembinaan hari ini penggunaan FRP telah mendapat keyakinan para pereka untuk memasarkan hasilnya untuk diaplikasikan dalam pembinaan struktur bangunan seperti keluli, besi, konkrit dan yang diutamakan adalah FRP dalam struktur kayu. Jika dilihat penggunaan FRP dalam struktur kayu masih lagi kurang dalam industri pembinaan di Malaysia. Ianya banyak digunakan di negara-negara seperti Amerika Utara dan sebelah Eropah. Jika sebelum ini FRP banyak digunakan sebagai bahan ganti atau bahan menambah atau meningkatkan kekuatan sesuatu bahan contohnya konkrit. Dalam Rajah 2.9 ianya dapat memberikan gambaran mengenai penggunaan FRP dalam kejuruteraan kayu.

49 32 Antara penggunaan FRP dalam kayu adalah untuk meningkatkan kekuatan kayu, mengurang kadar pesongan ( deflection ) pada rasuk bila dikenakan beban dan sebagainya. Kebanyakan FRP sekarang banyak diaplikasikan pada struktur pembinaan seperti jambatan kayu, rasuk pada bangunan, sambungan ( joint ) antara kayu dan sebagainya yang boleh menguatkan sesuatu struktur pada kayu

50 BAB III KAEDAH METODOLOGI DAN UJIAN MAKMAL 3.1 Pengenalan Kaedah metodologi merupakan cara, kaedah atau pendekatan yang digunakan bagi mencapai objektif kajian. Kaedah-kaedah yang dilakukan ini adalah bertujuan bagi memudahkan proses pencarian maklumat dan juga memastikan setiap maklumat yang diperolehi adalah berkaitan dengan objektif kajian. Antara kaedah-kaedah yang digunakan untuk melaksanakan kajian ini adalah seperti berikut : - 1. Perbincangan awal 2. Kajian literatur 3. Pengumpulan maklumat 4. Ujikaji 5. Analisis data

51 Perbincangan awal Perbincangan awal adalah penting bagi mendapatkan gambaran secara kasar tentang tajuk kajian serta bagaimana mendapatkan maklumat yang diperlukan bagi melakukan kajian ini. Perbincangan awal bersama Dr. Suhaimi Abu Bakar selaku penyelia bagi kajian ini telah banyak membantu memberi cadangan dan nasihat meliputi pelbagai aspek seperti turutan kerja yang harus dilakukan dan sumbersumber maklumat yang boleh didapati. 3.3 Kajian Literatur Bagi menambahkan lagi kefahaman mengenai tajuk kajian, maklumatmaklumat perlu dicari daripada pelbagai sumber untuk menjelaskan lagi tajuk kajian. Antaranya adalah mendapatkan maklumat daripada sumber rujukan seperti buku, artikel dan jurnal. Selain itu juga ada maklumat yang berjaya diperolehi melalui pengkalan data ( database ) Perpustakaan Sultanah Zanariah ( PSZ ). 3.4 Pengumpulan maklumat Pengumpulan maklumat adalah penting bagi membuat perbandingan dengan hasil kajian literatur. Melalui maklumat ini ia dapat mengetahui kepentingan, keperluan dan kegunaan bahan polimer Gentian Bertetulang ( FRP ) dalam struktur kayu. Selain daripada itu buku yang terdapat di Perpustakaan Sultanah Zanariah, Jurnal dan artikel juga merupakan sumber maklumat yang penting. Pengumpulan maklumat daripada pensyarah-pensyarah yang mahir dalam bidang ini juga adalah penting supaya kajian yang dilakukan ini tidak terpesong daripada objektif kajian.

52 Prosedur Ujikaji Dalam kajian yang dilakukan ini ujikaji yang terlibat adalah Ujian Kekuatan Lenturan rasuk yang dikawal dan diperkuatkan dengan baham polimer FRP. Berikut merupakan ringkasan ujikaji yang akan dilakukan seperti yang ditunjukkan carta alir di bawah :- Penyediaan Sampel ( alat makmal ) Penyediaan spesimen kayu Pelicinan permukaan kayu pelekatan CFRP pada kayu Ujian Lenturan Analisis Data Keputusan & Perbincangan

53 Penyediaan sampel dan alatan makmal Dalam ujikaji yang dijalankan ini terdapat beberapa peralatan yang diperlukan bagi memastikan perjalanan ujikaji ini adalah terbaik. Di antara peralatan yang akan digunakan dalam ujikaji ini adalah seperti berikut :- i. Enam sampel kayu keruing yang siap dipotong dengan panjang 900 mm dan 50 mm x 50mm ( tinggi x lebar ) ii. Mesin pemotong kayu elektrik iii. Mesin pengetam kayu elektrik iv. Pengelok Data v. Tiga alat Tranduser untuk mengambil bacaan pesongan vi. Kerangka Magnus untuk ujian lenturan vii. FRP jenis karbon ( 85 mm x 30 mm x 3 sampel ) viii. Glu untuk lekatan FRP ( Sikadur 330 component A dan B, 4 : 1 ) ix. Penimbang

54 37 (i) Sampel ujikaji ( Kayu Keruing ) (ii) Jek Hidraulik (iii) Pengelok Data (iv) Sikadur 330 A dan Sikadur 330 B Rajah 3.1 : Peralatan ujikaji

55 Penyediaan spesimen kayu Dalam kajian yang dilakukan sebanyak enam sampel kayu keruing diperlukan. Kayu keruing yang asal akan dipotong mengikut ukuran yang telah ditetapkan dengan menggunakan mesin pemotong. Pemotongan kepada saiz sampel yang akan diuji dibuat setelah penentuan saiz dilakukan. Saiz ataupun ukuran rasuk yang dibuat adalah seperti di bawah : Panjang : 900 mm Tinggi : 50 mm Lebar : 50 mm Maklumat saiz rasuk adalah seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.2. Pembebanan 300 mm 300 mm 300 mm 900 mm 40 mm 40 mm Keratan lintang rasuk 50 mm 50 mm Rajah 3.2 : Perincian rasuk bagi ujian pembebanan dua titik

56 39 Rajah 3.3 : Mesin Pemotong Kayu Elektrik Rajah 3.3 menunjukkan pemotong kayu elektrik yang digunakan untuk memotong sampel kayu keruing. Apabila kerja-kerja pemotongan rasuk bagi enam sampel siap dilakukan, proses seterusnya ialah mengetam permukaan kayu menjadikan permukaan kayu lebih rata dan kemas untuk ujikaji. Apabila proses pengetaman siap, kayu tadi akan dibentuk menjadi saiz 50 mm x 50 mm dengan menggunakan mesin pemotong yang telah dibuat ukuran atau penandaan pada mesin pemotong. Rajah 3.4 menunjukkan sampel yang telah siap dipotong dan diratakan permukaannya.

57 40 Rajah 3.4 : Sampel yang telah siap dipotong dan diratakan permukaannya Penyediaan Permukaan Bagi menghasilkan satu permukaan yang rata dan cantik permukaan kayu akan dikemaskan dengan menggunakan kertas pasir kasar. Kesan pemotongan dan permukaan yang tidak rata akan dikemaskinikan bagi mendapatkan permukaan yang rata dan memudahkan untuk lekatan bahan polimer FRP. Rajah 3.5 menunjukkanmesin pengetam kayu elektrik yang digunakan untuk mengetam permukaan kayu.

58 Rajah 3.5 : Mesin pengetam kayu elektrik 41

59 Penampalan helaian CFRP Perekat epoksi Sikadur 330 component A dicampurkan dengan Sikadur 330 component B pada nisbah 4 : 1. Kedua-dua campuran ini akan digaulkan selama lima minit bagi mendapatkan campuran yang sebati sebelum dilekatkan pada permukaan rasuk kayu. Apabila campuran ini telah benar-benar sebati, kerja-kerja menyapu epoksi pada permukaan kayu dilakukan. Epoksi yang dicampur ini disapukan mengikut ukuran saiz bahan polimer CFRP dan penampalan helaian CFRP dilakukan. Semasa kerja-kerja penampalan helaian CFRP dilakukan adalah penting memastikan helaian ini betul-betul melekat dan tidak ada serat-serat yang terkeluar dari lokasi yang ditandakan. Kerja penggelekan dengan menggunakan penggelek besi akan dilakukan bagi memastikan helaian CFRP tadi mempunyai lekatan yang baik dengan permukaan kayu. Setelah kesemuanya siap, bahan tadi akan dibiarkan kering pada suhu bilik biasa selama seminggu supaya epoksi tadi dapat mencapai kekuatannya. Rajah 3.6 menunjukkan prosedur bagi penyediaan epoksi dan kerja-kerja penampalan. (a) Sikadur330 A dan B dicampur kadar 4 : 1 (b) Penyapuan epoksi pada kayu Rajah 3.6 : Proses penampalan helaian CFRP pada rasuk kayu.

60 43 (c) Penampalan helaian CFRP (d) Menekan dan meratakan permukaan helaian CFRP (e) Helaian CFRP yang telah siap ditampal Rajah 3.6 : Proses penampalan helaian CFRP pada rasuk kayu ( sambungan ).

61 Ujian kekuatan lenturan rasuk Untuk kaedah ini sampel kayu perlu disokong bebas pada kedua-dua hujungnya dan berupaya melentur tanpa sebarang halangan seperti geseran dan sebagainya. Anggaran kekuatan kayu Keruing secara teori dapat ditunjukkan di bawah : Kayu Keruing ( Dipterocarpus bandii ) σ p = 739 kg Tegasan had perkadaran ( stress proportional limit ) cm² lenturan statik. Rujuk Jadual 2.6 My Daya ( F) = M = Momen I I = Momen sifat tekun P300x50 12 = x P= Daya yang dikenakan 50x P = 50³ = P = = 10.26kN mm² Secara teorinya daripada nilai yang dikira ini anggaran kekuatan kayu Keruing yang mampu menanggung beban sehingga mengalami kegagalan ialah kn / mm².

62 45 Semua rasuk kayu yang hendak dilakukan ujian lenturan diratakan permukaan dengan menggunakan kertas pasir yang kasar bagi mendapatkan permukaan yang rata bagi memudahkan pengesanan keretakan yang berlaku. Ujian lenturan rasuk dilakukan pada tiga sampel yang dikawal terlebih dahulu bagi memepercepatkan ujikaji manakala rasuk yang diperkuatkan dengan helaian CFRP akan diuji selepas perekat epoksi yang melekatkan helaian CFRP pada rasuk telah kering. Tempoh bagi mendapatkan lekatan yang baik antara lekatan helaian CFRP dengan rasuk ialah satu minggu. Selepas itu ia akan diuji. Semasa ujian dilakukan dengan menggunakan struktur kerangka Magnus, terdapat beberapa alat yang digunakan di dalam ujikaji ini dan diantaranya ialah : i. Jek Hidraulik : Mengenakan beban ke atas rasuk ii. Sel beban : Membaca beban yang dikenakan ke atas rasuk iii. Transduser : Mengukur pesongan rasuk iv. Magnetic stand : Memegang transduser pada kedudukan yang tetap v. Pengelok data : Mengumpul bacaan transduser dan sel beban Jek Hidraulik akan diletakkan tergantung pada struktur kerangka Magnus dan hujung jek akan ditumpukan ditengah-tengah pembahagi beban untuk mewujudkan dua beban tumpu dengan jarak yang sama dari tengah rentang. Penyokong rasuk pula terdiri daripada dua rod yang mempunyai ketinggian yang sama. Tranduser pula akan ditetapkan pada kedudukannya dengan menggunakan magnetic stand dan ditempatkan di tiga lokasi iaitu tengan beban dan di bawah dua beban tumpu untuk mengesan pesongan akibat beban. Tranduser ini kemudiannya akan disambungkan kepada pengelok data dengan menggunakan wayar tranduser. Alat sel beban diletakkan di atas pembahagi beban dengan kedudukan jek hidraulik betul-betul berada di bahagian tengah sel beban.

63 46 Selepas semua alat dipasang beban mula dikenakan dan bacaan akan diambil untuk setiap pembebanan sebanyak 0.5 kn sehingga keretakan pertama dikenalpasti. Pembebanan akan diteruskan sehingga rasuk mencapai kegagalan pada had beban muktamad. Selepas rasuk mengalami kegagalan, bentuk keretakan pada rasuk diambil dan dibuat lakaran bagi mengenalpasti keretakannya. Tranduser Rajah 3.7 : Ujian kekuatan lenturan rasuk Rajah 3.8 :Set-up pengelok data untuk menjalankan ujian lenturan

64 47 Rajah 3.9 : Beban dikenakan pada rasuk dengan kadar 0.5kN Rajah 4.0 : Contoh kegagalan pada rasuk

65 48 BAB IV KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN 4.1 Keputusan Ujian Pembebanan Titik Hasil yang diperolehi daripada kajian ini akan dianalisis dan dibincang bagi memperolehi data dan maklumat yang terbaik untuk dianalisis. Rajah 4.1 menunjukkan nilai pesongan yang diambil bagi setiap rasuk kayu padu sewaktu pembebanan dilakukan Keputusan ujikaji bagi ujian lenturan rasuk kayu padu P/2 P/2 Pesongan Pesongan Pesongan Rajah 4.1: Nilai pesongan yang diambil bagi setiap sampel ujikaji bagi rasuk kayu padu

66 49 Sebelum melakukan ujian lenturan, jisim ketiga-tiga sampel akan diambil dan dicatatkan bacaan seperti dinyatakan di bawah iaitu sampel A = kg, sampel B = kg dan sampel C = kg. Kandungan lembapan bagi setiap sampel juga diambil sebelum dan selepas ujikaji. Keputusan ujian bagi tiga rasuk kayu padu ditunjukkan oleh Jadual 4.1, 4.2, 4.3, dan 4.4. Jisim kayu sebelum ujikaji Sampel A Sampel B Sampel C = kg = kg = kg Jadual 4.1: Kandungan lembapan ( % ) bagi sampel rasuk kayu padu Jenis Sampel Sebelum ( kg ) Selepas ( kg ) % A B C

67 50 Jadual 4.2: Data ujikaji rasuk kayu padu bagi Sampel A Beban ( kn ) Pesongan ( mm ) Nota : Pada beban 9.5 kn rasuk telah mengalami kegagalan

68 51 Jadual 4.3 : Data ujikaji rasuk kayu padu bagi Sampel B Beban ( kn ) Pesongan ( mm ) Nota : Pada beban 10.0 kn rasuk telah mengalami kegagalan

69 52 Jadual 4.4 : Data ujikaji rasuk kayu padu bagi Sampel C Beban ( kn ) Pesongan ( mm ) Nota : Pada beban 11.0 kn rasuk telah mengalami kegagalan

70 Keputusan ujikaji bagi ujian lenturan rasuk yang di perkuatkan dengan helaian CFRP P/2 P/2 Pesongan Pesongan Pesongan Rajah 4.2: Nilai pesongan setiap sampel bagi rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik Proses yang sama juga dibuat bagi sampel kayu yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik di mana jisim sampel A = kg, sampel B = kg dan sampel C = kg. Kandungan lembapan bagi setiap sampel juga diambil sebelum dan selepas ujikaji. Keputusan ujian bagi tiga rasuk kayu yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik ditunjukkan oleh Jadual 4.5. Jadual 4.5: Kandungan lembapan ( % ) bagi sampel rasuk yang diperkuat dengan CFRP Jenis Sampel Sebelum ( kg ) Selepas ( kg ) % A B C

71 54 Jadual 4.6 : Data ujikaji rasuk kayu yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik bagi Sampel A Beban ( kn ) Pesongan ( mm ) Nota : Pada beban 11.0 kn rasuk telah mengalami kegagalan

72 55 Jadual 4.7 : Data ujikaji rasuk kayu yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik bagi Sampel B Beban ( kn ) Pesongan ( mm ) Nota : Pada beban 12.0 kn rasuk telah mengalami kegagalan

73 56 Jadual 4.8 : Data ujikaji rasuk kayu yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik bagi Sampel C Beban ( kn ) Pesongan ( mm ) Nota : Pada beban 12.0 kn rasuk telah mengalami kegagalan

74 Ragam Kegagalan dan Bentuk Keretakan Bentuk dan ragam kegagalan sampel-sampel yang diuji adalah seperti disimpulkan dalam Jadual 4.9 dan Jadual 4.10 Jaduan 4.9 : Ragam kegagalan bagi ketiga-tiga batang rasuk kayu padu Sampel Ragam Kegagalan A Kegagalan tempatan di bahagian atas rasuk dengan sedikit lengkokan sisi.. Kegagalan pada bahagian atas menunjukkan sampel ini mengalami kegagalam mampatan. Didapati juga semasa beban muktamad kegagalan mula berlaku pada bahagian bawah rasuk dan ini di andaikan rasuk mengalami kegagalan tegangan. B Pada bahagian atas rasuk didapati tiada keretakan berlaku dan keretakan hanya didapati pada bahagian sisi dan bawah rasuk sahaja. Bentuk kegagalan pada bahagian bawah ( pandangan sisi ) adalah kurang dan rasuk ini telah mengalami kegagalan tegangan. C Sampel ini semakin melentur dan patah secara tiba-tiba di tengah rentang apabila mencapai beban muktamad. Antara lokasi keretakan yang dikenalpasti ialah pada tengah rentang pada bahagian atas, pecah pada bahagian bawah ditengah rentang pada kedudukan sisi. Kegagalan pada bahagian bawah rasuk menunjukkan sampel mengalami kegagalan tegangan.

75 58 Rajah 4.3 : Rasuk kayu padu sebelum dikenakan beban Rajah 4.4 : Rasuk kayu padu melentur sedikit apabila dikenakan beban.

76 59 Rajah 4.5 : Rasuk kayu padu yang telah mengalami kegagalan dan pada ketika ini jek hidraulik dilepaskan. Rajah 4.6 : Mod kegagalan bagi ketiga-tiga sampel rasuk kayu padu

77 60 Pandangan dari atas Pandangan hadapan sisi yang menghala kamera seperti dalam Rajah 4.5 Pandangan bawah Rajah 4.7 : Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi rasuk padu sampel A ( tidak mengikut skala ) Pandangan dari atas Pandangan hadapan sisi yang menghala kamera seperti dalam Rajah 4.5 Pandangan bawah Rajah 4.8 : Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi rasuk padu B ( tidak mengikut skala )

78 61 Pandangan dari atas Pandangan hadapan sisi yang menghala kamera seperti dalam Rajah 4.3 Pandangan bawah Rajah 4.9 : Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi rasuk padu C ( tidak mengikut skala )

79 62 Jadual 4.10 : Ragam kegagalan bagi ketiga-tiga batang rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP fabrik Sampel Ragam Kegagalan A Pada bahagian atas rasuk didapati tiada keretakan berlaku dan keretakan hanya didapati pada bahagian sisi dan bawah rasuk sahaja dan helaian CFRP didapati terkoyak sedikit pada bahagian tengah. Kegagalan pada bahagian bawah menunjukkan sampel mengalami kegagalan tegangan B Kegagalan tempatan di bahagian atas rasuk dengan sedikit lengkokan sisi. Sampel ini melentur dengan penambahan beban dan berlaku kopakan pada kayu secara tiba-tiba. Kegagalan hanya berlaku pada sisi kayu yang tidak dilekatkan dengan CFRP. CFRP tertanggal sedikit dan kegagalan sampel ini mengalami kegagalan mampatan C Sampel ini semakin melentur dan patah secara tiba-tiba di tengah beban tumpu iaitu 30 cm dari sokong apabila mencapai beban muktamad. Helaian CFRP tertanggal dan terkoyak ketika kegagalan berlaku. Kegagalan dibahagian bawah rasuk menunjukkan sampel ini mengalami kegagalan tegangan.

80 63 Rajah 4.10: Rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP melentur apabila dikenakan beban Rajah 4.11: Rasuk yang diperkuatkan dengan CFRP patah secara tiba-tiba apabila mencapai beban muktamad

81 64 Rajah 4.12 : Pandangan dekat rasuk kayu diperkuatkan dengan helaian CFRP yang mengalami kegagalan Pandangan dari atas Pandangan hadapan sisi yang menghala kamera seperti dalam Rajah 4.10 Pandangan bawah Rajah 4.13: Ragam kegagalan secara grafik dari tiga pandangan bagi sampel A yang diperkuatkan dengan CFRP ( tidak mengikut skala )